Medan Listrik — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung kuat dan menentukan arah medan listrik $E = k \, q / r^2$ dari satu muatan maupun hasil superposisi beberapa muatan.

Saat kamu mendekatkan balon bermuatan ke rambut tanpa menyentuhnya, helai rambut terangkat sendiri. Cahaya dari layar TV yang baru dimatikan menarik debu halus dari kejauhan beberapa sentimeter. Keduanya terjadi karena setiap muatan meninggalkan “jejak” tak kasat mata di ruang sekitarnya — sebuah medan listrik yang mendorong muatan lain tanpa bersentuhan. Itulah gagasan medan: gaya dari kejauhan. Seret muatan di bawah dan saksikan arah medannya berbalik seketika saat tanda muatan ditukar.

Seret ujung anak panah medan dan amati bagaimana panjangnya berubah saat jarak dari muatan sumber berubah.

Gagasan medan: gaya tanpa sentuhan

Pada abad ke-19, Michael Faraday mengusulkan cara berpikir baru: alih-alih mengatakan satu muatan “menarik” muatan lain dari jauh, lebih baik membayangkan setiap muatan menciptakan pengaruh di ruang di sekitarnya — sebuah medan listrik. Muatan lain yang memasuki medan itu otomatis merasakan gaya. Medan adalah jembatan tak kasat mata antara dua muatan yang tidak bersentuhan.

Medan listrik $E$ di suatu titik adalah gaya listrik per satuan muatan uji yang diletakkan di titik itu: $E = F/q_0$ . Satuannya newton per coulomb (N/C). Arah medan = arah gaya pada muatan uji positif yang diletakkan di titik itu.

Konvensi arah ini kunci. Medan listrik selalu didefinisikan dari sudut pandang muatan uji positif — kalau kamu menaruh muatan uji positif di dekat muatan sumber positif, ia didorong menjauh; berarti medan di titik itu mengarahmenjauhi muatan positif. Sebaliknya, di dekat muatan negatif, muatan uji positif ditarik mendekat — medan mengarah mendekati muatan negatif.

Bayangkan medan listrik seperti “angin tak kasat mata” yang bertiup di sekitar muatan. Di dekat muatan positif, angin bertiup ke luar (menjauhi); di dekat muatan negatif, angin mengalir ke dalam (mendekati). Muatan uji positif “terbawa angin” itu; muatan uji negatif “terbawa melawan angin”.

Kuat medan dari muatan titik: E = k q / r kuadrat

Dari definisi $E = F/q_0$ dan hukum Coulomb $F = k \, q \, q_0 / r^2$ , kita peroleh kuat medan dari sebuah muatan titik sumber $q$ .

$E = k \, \frac{q}{r^2}$

Arti tiap simbol: $E$ = kuat medan listrik (N/C), $k = 8{,}99 \times 10^9$ N·m²/C² (konstanta Coulomb), $q$ = muatan sumber (C), $r$ = jarak dari sumber ke titik tinjauan (m). Tanda $q$ menentukan arah: positif → medan menjauhi sumber; negatif → medan mendekati sumber.

Persamaan ini berbentuk kuadrat terbalik sama seperti gaya Coulomb — bukan kebetulan, sebab medan adalah gaya per satuan muatan uji. Jarak dua kali lipat membuat medan seperempat; jarak sepertiga membuat medan sembilan kali. Inilah sebabnya pengaruh listrik sebuah benda terasa kuat di dekatnya dan nyaris hilang di kejauhan.

Arah medan: positif keluar, negatif masuk

Arah medan bergantung tanda muatan sumber. Untuk muatan positif, garis-garis medan “keluar” dari sumber — menjauhi ke segala arah seperti duri landak. Untuk muatan negatif, garis-garis medan “masuk” ke sumber — mendekati dari segala arah seperti tentara pulang ke barak.

Muatan sumber	Arah medan	Muatan uji + diri
Positif ( $+q$ )	Menjauhi sumber	Didorong menjauh
Negatif ( $-q$ )	Mendekati sumber	Ditarik mendekat

Pada geometri di bawah, dua preset membandingkan kedua kasus. Preset “positif keluar” membuat anak panah medan menunjuk keluar dari sumber; preset “negatif masuk” membuatnya menunjuk ke dalam sumber. Seret titik untuk mengatur jarak titik tinjauan.

Superposisi medan: penjumlahan vektor

Bila ada beberapa muatan sumber, medan total di suatu titik adalah penjumlahan vektor medan dari tiap sumber (prinsip superposisi). Kamu hitung besar dan arah medan dari tiap sumber, lalu jumlahkan per komponen — persis seperti menjumlahkan gaya pada fisika Newton.

Bayangkan dua kipas angin medan yang berhembus dari dua arah berbeda. Angin total di satu titik bukan sekadar jumlah kuatnya, melainkan gabungan arah kedua hemusan. Dua medan sama besar yang berlawanan arah bisa saling meniadakan; dua medan searah saling menguatkan.

Pada grafik di bawah, dua muatan sumber menghasilkan dua komponen medan di titik tinjauan (warna berbeda), plus resultan totalnya. Kurva memperlihatkan besar medan tiap sumber terhadap jarak salah satu sumber. Geser slider jarak sumber 2 untuk melihat resultan berubah.

Titik medan nol antara dua muatan sejenis

Kasus menarik dari superposisi: dua muatan sejenis sejenis (+ dan +, atau − dan −) yang besarnya berbeda punya satu titik di sepanjang garis hubungnya tempat medan totalnya nol. Pada titik itu, medan dari kedua muatan saling meniadakan karena sama besar tetapi berlawanan arah.

Untuk dua muatan sejenis $q_1$ dan $q_2$ yang terpisah sejauh $d$ , titik medan nol berada di antara keduanya pada jarak $r$ dari $q_1$ yang memenuhi:

$k \, \frac{q_1}{r^2} = k \, \frac{q_2}{(d-r)^2} \;\Rightarrow\; r = \frac{d}{1 + \sqrt{q_2/q_1}}.$

Titik ini selalu berada di antara dua muatan sejenis (lebih dekat ke muatan yang lebih kecil). Untuk muatan berlawanan tanda, titik medan nol berada di luar pasangan, di sisi muatan yang lebih kecil. Inilah tipe soal klasik TKA yang sering muncul.

Jelajahi pola ini pada grafik di bawah: dua medan dari dua muatan sejenis dijumlahkan, dan resultannya menyentuh nol di satu titik di antara keduanya. Geser slider perbandingan muatan untuk menggeser letak titik nol.

Medan listrik termasuk cakupan TKA Fisika, elemen kelistrikan (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tiga tipe lazim: (1) hitung $E$ dari $q$ dan $r$ ; (2) tentukan arah medan di sekitar muatan positif/negatif; (3) superposisi medan termasuk mencari titik medan nol antara dua muatan. Jebakan klasik: keliru menyimpulkan arah medan untuk muatan negatif, atau lupa bahwa superposisi medan adalah penjumlahan vektor (bukan skalar).

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Dua muatan titik $q_1 = +4 \, \mu\text{C}$ dan $q_2 = +1 \, \mu\text{C}$ terpisah sejauh $d = 30$ cm di udara. Di titik manakah di sepanjang garis hubung kedua muatan medan listrik totalnya nol?

Karena kedua muatan sejenis (positif), titik medan nol berada di antara keduanya. Di titik itu, medan dari $q_1$ mengarah ke kanan (menjauhi $q_1$ ) dan medan dari $q_2$ mengarah ke kiri (menjauhi $q_2$ ) — berlawanan arah, jadi bisa saling meniadakan. Sebut $r$ jarak titik nol dari $q_1$ .

$k \, q_1 / r^2 = k \, q_2 / (d-r)^2$ , dengan $r$ diukur dari $q_1$ . Bagi kedua ruas dengan $k$ dan akarkan: $\sqrt{q_1}/r = \sqrt{q_2}/(d-r)$ .

$\sqrt{4}/r = \sqrt{1}/(0{,}3 - r)$ , jadi $2/r = 1/(0{,}3 - r)$ . Kalikan silang: $2(0{,}3 - r) = r$ , sehingga $0{,}6 - 2r = r$ , maka $3r = 0{,}6$ dan $r = 0{,}2$ m $= 20$ cm dari $q_1$ . (Atau 10 cm dari $q_2$ — konsisten: titik nol lebih dekat ke muatan yang lebih kecil.)

Jebakan: keliru menyimpulkan arah medan untuk muatan negatif. Yang benar: medan selalu didefinisikan dari sudut pandang muatan uji positif. Di sekitar muatan negatif, muatan uji positif ditarik, sehingga medan mengarah mendekati muatan negatif — bukan menjauhi seperti pada muatan positif.

Jebakan: menjumlahkan besar medan sebagai skalar pada soal superposisi. Yang benar: superposisi medan adalah penjumlahan vektor — uraikan tiap medan ke komponen x dan y, jumlahkan per komponen, baru cari resultannya. Dua medan sama besar yang berlawanan arah bisa saling meniadakan menjadi nol.

Jebakan: mengira titik medan nol antara dua muatan selalu di tengah-tengah. Yang benar: titik nol di tengah hanya bila kedua muatan sama besar. Untuk muatan berbeda, titik nol lebih dekat ke muatan yang lebih kecil — di sanalah medan dari muatan kecil (yang dekat) bisa sama dengan medan dari muatan besar (yang jauh).

Medan listrik $E = F/q_0$ ; arah = gaya pada muatan uji positif; satuan N/C.
Muatan titik: $E = k \, q/r^2$ , kuadrat terbalik (jarak 2× → medan ¼).
Positif → medan menjauhi; negatif → medan mendekati sumber.
Superposisi: medan total = penjumlahan vektor medan dari tiap sumber.
Titik medan nol antara dua muatan sejenis lebih dekat ke muatan lebih kecil.
Medan adalah “jejak” di ruang; gaya = medan dikali muatan uji ( $F = q_0 E$ ).